TLP扩散连接的动力学模型解析课件

TLP扩散连接的动力学模型

陈思杰河南理工大学材料科学与工程学院

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议TLP扩散连接的动力学模型

第五届全国材料与热加工物理模拟1一、研究对象、范畴

瞬时液相扩散连接（Transientliquid-phasebonding简称TLP）的模型与工艺，属于材料科学的扩散与相变的理论范畴，传统的工艺强调的是材料在连接过程中通过降低熔点元素的扩散发生等温凝固，实际研究中，TLP连接的模型可以是非平衡的。例如，具有温度梯度的TLP连接工艺模型，TLP连接双温连接模型，后两种模型和传统的瞬时液相扩散连接模型有很大的区别。突破了传统理论等温凝固的概念，用非平衡结晶理论来研究建立中间层液体结晶过程，改善凝固界面的形态和扩散过程，提高连接接头的使用性能。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议一、研究对象、范畴瞬时液相扩散连接（Tran2国外的研究概况：20世纪70年代初，Duall等人在研究镍基高温合金的焊接时，提出了一种新型的连接技术——瞬时液相扩散连接技术，并且将该技术成功的应用于JT9D涡轮发动机的叶片焊接，焊接接头有效率>99.8%，实现了TLP连接技术的实际应用。至今已在镍基、钴基、氧化物弥散强化的高温的连接中广泛应用。近年来，随着航空航天、空间技术、微电子、石油化工等高新技术的迅速发展，新材料与结构不断得到应用，飞行器动力装置、核能设备、压力容器与管道、电子封装等重要结构或部件，不仅要求具有高强度，还要求结构具有良好的断裂韧性、抗腐蚀性、耐磨性以及耐高温等性能，进一步促进了TLP连接技术的发展，TLP连接方法具有广阔的工程应用前景。在钢材、有色金属、电子器件、先进陶瓷和异种材料的连接方面都有研究。二、国内外研究进展第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议国外的研究概况：二、国内外研究进展第五届全国材料与热加工物理3国内TLP连接方面的研究概况1、北京航空材料研究院，李晓红毛唯郭万林谢永慧等人主要对国内自行研制第一代镍基单晶高温合金DD3，第二代单晶合金DD6进行过渡液相扩散焊(TLP扩散焊)工艺进行了研究。2、东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，借鉴TLP连接技术在其它领域的最新研究进展，提出利用4045铝合金为中间层材料，采用轧制复合的方法生产不锈钢-3003铝合金复合板的新工艺。3、哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室，许志武、闫久春等人研究了铝基复合材料瞬问液相扩散焊接（TLP）接头金相组织。钱乙余冯吉才何鹏等人对TiAl与40Cr钢之间的扩散连接进行了研究。4、北京航空航天大学机械工程学院，曲文卿、庄鸿寿、张彦华等对SiC颗粒增强A1基复合材料与A1合金的TLP扩散连接试验，对异种材料TLP扩散连接过程存在的非对称性进行了深入的研究，并对异种材料TLP扩散连接过程的等温凝固动力学进行了数学建模。5、清华大学机械系邹贵生、吴爱萍等研究了Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连接Si3N4陶瓷的机理。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议国内TLP连接方面的研究概况第五届全国材料与热加工物理模拟及4三、TLP连接模型简介1、TLP与TG-TLP简介TLP连接原理是将某种中间层合金置入连接界面，加热至连接温度，中间层含有降熔元素（MPD）发生熔化或者由于与基体相互作用，在连接界面间形成液态薄膜。在随后的保温过程中，中间层合金与基体发生元素扩散，因而成分改变，熔点升高，在连接温度下发生等温凝固，实现连接过程。近年来在连接工艺上也在不断发展，例如剑桥大学的A.A.Shirzadi与E.R.Wallach提出了一种“带有温度梯度的TLP扩散焊(Temperaturegradient-transientliquid-phasebonding简称TG-TLP)”的新工艺，突破了传统的TLP扩散连接惯用的连接区温度均匀分布的束缚，其优点在于可使最终凝固所得的界面由经典TLP连接情况下所得的平面状变为非平面状(正弦状或胞状)，增加了沿非平面状界面上的金属-金属之间的接触面积；将残留的难熔氧化物粒子在接合线(bondline)上分布由传统TLP工艺下的平直状改善为正弦状或胞状分布。这样与传统TLP连接相比，提高了接头的剪切强度，并避免了接头质量的随机波动。可以获得比传统工艺更好的组织和性能。第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议三、TLP连接模型简介1、TLP与TG-TLP简介第五届52、TLP等温凝固的的传统模型图1TLP连接的传统模型第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议2、TLP等温凝固的的传统模型图1TLP连接的传统模型63、TG-TLP连接模型中过冷度的形成

C0-远离界面的液体成分k-溶质分配系数V-界面移动速度D-液体中溶质扩散系数图2、TG-TLP连接模型过冷度形成示意图第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议3、TG-TLP连接模型中过冷度的形成C0-远离界面的液体74、TLP与TG-TLP连接过程比较TLP与TG-TLPTLP与TG-TLP图3TLP与TG-TLP连接过程示意图第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议4、TLP与TG-TLP连接过程比较TLP与TG-TL85、存在的问题及双温TLP连接模型的提出

TLP扩散连接过程中，中间层熔化阶段和液相均匀化阶段都是接头区域（母材和中间层）熔化为液相的过程，从扩散本质上讲，是溶质在固相区的扩散过程，受固相扩散速度的控制。中间层熔化后，有害的难溶氧化物颗粒和杂质混在液相中，在等温凝固过程中，由于溶质的重新分布，这些杂质分布在凝固界面的前沿。等温凝固完成后，大部分杂质在接头中心处聚集，影响金属之间的连接。因此，接头的剪切强度比相应母材的要低。另外，氧化物杂质分布形成的平滑连接线降低接头的强度[23]。在凝固过程中，通过凝固理论和技术，研究控制液固界面的形状和推进方式是改善接头性能的重要研究课题。在传统的TLP扩散连接理论和模型的基础上，建立新的TLP扩散连接模型，对于TLP扩散连接理论的发展具有重要的意义。TG-TLP连接工艺模型取得了很大的突破，但存在温度梯度难于控制的问题。TLP

扩散连接双温模型，具有容易控制，用非平衡结晶理论来研究中间层液体结晶过程，改善凝固界面的形态，提高连接接头的使用性能。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议5、存在的问题及双温TLP连接模型的提出第五届全国材料与热加96、瞬时液相扩散连接双温模型简介（1）基本设想TLP连接过程中，中间层的熔化和等温凝固过程的控制是连接成功的关键，等温凝固过程是降熔元素扩散的过程，如果等温凝固没有完成就降温冷却，会造成连接部位的硼、硅等降熔元素含量过高，形成脆性化合物。如果中间层熔化后降低一定温度，即造成一定的成分过冷，使等温凝固在一定的过冷度下进行，既可以消除高温下长时间保温对基体的不利影响，还可以提高等温凝固的形核率，提高焊缝力学性能。因此，设想在传统TLP连接工艺的基础上，为了使中间层充分熔化，提高润湿性，可以先加热到接近基体熔点的高温使中间层熔化，然后快速冷却到一个较低的温度下进行等温凝固。等温凝固结束后，冷却到室温完成连接过程。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议6、瞬时液相扩散连接双温模型简介（1）基本设想第五届全国材料10（2）传统TLP工艺模型的液固界面浓度分布图4传统TLP连接界面浓度分布第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议（2）传统TLP工艺模型的液固界面浓度分布图4传统TLP11双温模型过冷度的形成与凝固机理图5双温工艺过冷度的形成第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议双温模型过冷度的形成与凝固机理图5双温工艺12四、试验条件与结果1、TLP扩散连接试验机

图6TLP扩散连接试验机第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议四、试验条件与结果1、TLP扩散连接试验机132实际连接过程与试样图7实际连接过程和试样第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议2实际连接过程与试样图7实143不同模型连接的组织对比图8TG-TLP与TLP接头显微组织对比Fig.8Acomparisonofaluminiumalloy（6082）jointofTLPandTG-TLP.(a)TLP-bonded;(b)TG-TLPbonded第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议3不同模型连接的组织对比图8TG-TLP与TLP接头显15

T91钢不同TLP工艺焊接接头

T91钢不同TLP工艺焊接接头SEM图像比较(a)TS-TLP-bonded;(b)TLPbondedFig.10AcomparisonofSEMofT91steelTLPbondedjointunderdifferentprocess图9T91钢不同TLP工艺焊接接头SEM图像比较(a)TS-TLP-bonded;(b)TLPbondedFig.9AcomparisonofSEMofT91steelTLPbondedjointunderdifferentprocess第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议T91钢不同TLP工艺焊接接头T91钢不同TLP工艺焊接16四结束语

1、瞬时液相扩散连接的本质就是中间层的熔化与结晶的过程，其中的动力是溶质或降低熔点元素(MPD)的扩散，对于一定的连接材料，首先要选择合适的中间层，用母材加入MPD元素形成低熔点的共晶合金做连接的中间层，对有效缩短连接时间，提高接头的性能是十分有利的。2、控制TLP连接工艺过程，不仅要根据具体条件确定连接工艺参数，更重要的是还要选择合理的TLP扩散连接模型，从微观上控制中间层液体结晶过程液固界面的形状，TG-TLP工艺模型和TS-TLP工艺模型突破了传统TLP工艺模型等温凝固的束缚，在铝合金和耐热合金连接方面取得了成功，进一步加强有关瞬时液相扩散动力学模型的研究具有十分重要的理论和应用价值。第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议四结束语

1、瞬时液相扩散连接的本质就是中间层17

谢谢指导！第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议18TLP扩散连接的动力学模型

陈思杰河南理工大学材料科学与工程学院

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议TLP扩散连接的动力学模型

第五届全国材料与热加工物理模拟19一、研究对象、范畴

瞬时液相扩散连接（Transientliquid-phasebonding简称TLP）的模型与工艺，属于材料科学的扩散与相变的理论范畴，传统的工艺强调的是材料在连接过程中通过降低熔点元素的扩散发生等温凝固，实际研究中，TLP连接的模型可以是非平衡的。例如，具有温度梯度的TLP连接工艺模型，TLP连接双温连接模型，后两种模型和传统的瞬时液相扩散连接模型有很大的区别。突破了传统理论等温凝固的概念，用非平衡结晶理论来研究建立中间层液体结晶过程，改善凝固界面的形态和扩散过程，提高连接接头的使用性能。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议一、研究对象、范畴瞬时液相扩散连接（Tran20国外的研究概况：20世纪70年代初，Duall等人在研究镍基高温合金的焊接时，提出了一种新型的连接技术——瞬时液相扩散连接技术，并且将该技术成功的应用于JT9D涡轮发动机的叶片焊接，焊接接头有效率>99.8%，实现了TLP连接技术的实际应用。至今已在镍基、钴基、氧化物弥散强化的高温的连接中广泛应用。近年来，随着航空航天、空间技术、微电子、石油化工等高新技术的迅速发展，新材料与结构不断得到应用，飞行器动力装置、核能设备、压力容器与管道、电子封装等重要结构或部件，不仅要求具有高强度，还要求结构具有良好的断裂韧性、抗腐蚀性、耐磨性以及耐高温等性能，进一步促进了TLP连接技术的发展，TLP连接方法具有广阔的工程应用前景。在钢材、有色金属、电子器件、先进陶瓷和异种材料的连接方面都有研究。二、国内外研究进展第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议国外的研究概况：二、国内外研究进展第五届全国材料与热加工物理21国内TLP连接方面的研究概况1、北京航空材料研究院，李晓红毛唯郭万林谢永慧等人主要对国内自行研制第一代镍基单晶高温合金DD3，第二代单晶合金DD6进行过渡液相扩散焊(TLP扩散焊)工艺进行了研究。2、东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，借鉴TLP连接技术在其它领域的最新研究进展，提出利用4045铝合金为中间层材料，采用轧制复合的方法生产不锈钢-3003铝合金复合板的新工艺。3、哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室，许志武、闫久春等人研究了铝基复合材料瞬问液相扩散焊接（TLP）接头金相组织。钱乙余冯吉才何鹏等人对TiAl与40Cr钢之间的扩散连接进行了研究。4、北京航空航天大学机械工程学院，曲文卿、庄鸿寿、张彦华等对SiC颗粒增强A1基复合材料与A1合金的TLP扩散连接试验，对异种材料TLP扩散连接过程存在的非对称性进行了深入的研究，并对异种材料TLP扩散连接过程的等温凝固动力学进行了数学建模。5、清华大学机械系邹贵生、吴爱萍等研究了Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连接Si3N4陶瓷的机理。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议国内TLP连接方面的研究概况第五届全国材料与热加工物理模拟及22三、TLP连接模型简介1、TLP与TG-TLP简介TLP连接原理是将某种中间层合金置入连接界面，加热至连接温度，中间层含有降熔元素（MPD）发生熔化或者由于与基体相互作用，在连接界面间形成液态薄膜。在随后的保温过程中，中间层合金与基体发生元素扩散，因而成分改变，熔点升高，在连接温度下发生等温凝固，实现连接过程。近年来在连接工艺上也在不断发展，例如剑桥大学的A.A.Shirzadi与E.R.Wallach提出了一种“带有温度梯度的TLP扩散焊(Temperaturegradient-transientliquid-phasebonding简称TG-TLP)”的新工艺，突破了传统的TLP扩散连接惯用的连接区温度均匀分布的束缚，其优点在于可使最终凝固所得的界面由经典TLP连接情况下所得的平面状变为非平面状(正弦状或胞状)，增加了沿非平面状界面上的金属-金属之间的接触面积；将残留的难熔氧化物粒子在接合线(bondline)上分布由传统TLP工艺下的平直状改善为正弦状或胞状分布。这样与传统TLP连接相比，提高了接头的剪切强度，并避免了接头质量的随机波动。可以获得比传统工艺更好的组织和性能。第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议三、TLP连接模型简介1、TLP与TG-TLP简介第五届232、TLP等温凝固的的传统模型图1TLP连接的传统模型第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议2、TLP等温凝固的的传统模型图1TLP连接的传统模型243、TG-TLP连接模型中过冷度的形成

C0-远离界面的液体成分k-溶质分配系数V-界面移动速度D-液体中溶质扩散系数图2、TG-TLP连接模型过冷度形成示意图第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议3、TG-TLP连接模型中过冷度的形成C0-远离界面的液体254、TLP与TG-TLP连接过程比较TLP与TG-TLPTLP与TG-TLP图3TLP与TG-TLP连接过程示意图第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议4、TLP与TG-TLP连接过程比较TLP与TG-TL265、存在的问题及双温TLP连接模型的提出

TLP扩散连接过程中，中间层熔化阶段和液相均匀化阶段都是接头区域（母材和中间层）熔化为液相的过程，从扩散本质上讲，是溶质在固相区的扩散过程，受固相扩散速度的控制。中间层熔化后，有害的难溶氧化物颗粒和杂质混在液相中，在等温凝固过程中，由于溶质的重新分布，这些杂质分布在凝固界面的前沿。等温凝固完成后，大部分杂质在接头中心处聚集，影响金属之间的连接。因此，接头的剪切强度比相应母材的要低。另外，氧化物杂质分布形成的平滑连接线降低接头的强度[23]。在凝固过程中，通过凝固理论和技术，研究控制液固界面的形状和推进方式是改善接头性能的重要研究课题。在传统的TLP扩散连接理论和模型的基础上，建立新的TLP扩散连接模型，对于TLP扩散连接理论的发展具有重要的意义。TG-TLP连接工艺模型取得了很大的突破，但存在温度梯度难于控制的问题。TLP

扩散连接双温模型，具有容易控制，用非平衡结晶理论来研究中间层液体结晶过程，改善凝固界面的形态，提高连接接头的使用性能。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议5、存在的问题及双温TLP连接模型的提出第五届全国材料与热加276、瞬时液相扩散连接双温模型简介（1）基本设想TLP连接过程中，中间层的熔化和等温凝固过程的控制是连接成功的关键，等温凝固过程是降熔元素扩散的过程，如果等温凝固没有完成就降温冷却，会造成连接部位的硼、硅等降熔元素含量过高，形成脆性化合物。如果中间层熔化后降低一定温度，即造成一定的成分过冷，使等温凝固在一定的过冷度下进行，既可以消除高温下长时间保温对基体的不利影响，还可以提高等温凝固的形核率，提高焊缝力学性能。因此，设想在传统TLP连接工艺的基础上，为了使中间层充分熔化，提高润湿性，可以先加热到接近基体熔点的高温使中间层熔化，然后快速冷却到一个较低的温度下进行等温凝固。等温凝固结束后，冷却到室温完成连接过程。

第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议6、瞬时液相扩散连接双温模型简介（1）基本设想第五届全国材料28（2）传统TLP工艺模型的液固界面浓度分布图4传统TLP连接界面浓度分布第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议（2）传统TLP工艺模型的液固界面浓度分布图4传统TLP29双温模型过冷度的形成与凝固机理图5双温工艺过冷度的形成第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议双温模型过冷度的形成与凝固机理图5双温工艺30四、试验条件与结果1、TLP扩散连接试验机

图6TLP扩散连接试验机第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议四、试验条件与结果1、TLP扩散连接试验机312实际连接过程与试样图7实际连接过程和试样第五届全国材料与热加工物理模拟及数值模拟学术会议2实际连接过程与试样图7实323不同模型连接的组织对比图8TG-TLP与TLP接头显微组织对比Fig.8Acomparisonofaluminiumalloy